Introducci

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Introducción a los Microcontroladores
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Introducción a los Microcontroladores

• Introducción
• Arquitectura
• Memoria
• I/O
• Interrupciones
• Timers/PWM
• Interfaces y Otros Periféricos

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Introducción

• Uso de los microcontroladores
• Microondas, Lavarropas, Televisores, ...
• Automóviles, aviones, barcos
• Teléfonos
• Automatización industrial
• Pequeños dispositivos ad-hoc
• ...

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Introducción

• Ejemplo. Se quiere
• Leer periódicamente una temperatura
• Prender y apagar un calefactor
• Mostrar en un display la temperatura
• Permitir al usuario ajustar la temperatura
• Posibilidad de actualizar la funcionalidad con un
  interfase serie

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Introducción

• Diseño discreto. Se requiere
• Un microprocesador
• 20 líneas de I/O (2 chips de 16 c/u)
• 1 Interfaz serie (1 chip)
• 1 Timer (1 chip)
• Memoria SRAM (para variables)
• Memoria Flash (para programa)
• Memoria EEPROM (para constantes)

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Introducción

• Diseño discreto.

7
Introducción

• Diseño Integrado.

ATmega16 (atmel)
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Oferta de Microcontroladores

• Estructurada por familias y subfamilias.
• Por ejemplo, cada familia tiene el mismo nucleo
  del procesador (su código será compatible)
  8051,PIC,HC,ARM
• O son familias orientadas a la aplicación
• O por performance (de diferente tipo)

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Oferta de Microcontroladores
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Oferta de Microcontroladores
11
Oferta de Microcontroladores
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Oferta de Microcontroladores

• Dentro de cada familia hay mucha varidad de
  dispositivos
• Pueden estar agrupados en subfamilias
• Una forma de clasificación es en base a los
  perifericos que integran o memoria

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Oferta de Microcontroladores

• MC9RS08KA Family

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Arquitectura
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Arquitectura Procesador
REPASO
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Arquitectura

• Von Neuman vs. Hardvard
• CISC vs. RISC
• Tamaño/variedad de las instrucciones
• Velocidad clock 8/16/32 bits

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Arquitectura
REPASO

• de las instrucciones
• Por stack
• Por acumulador
• Dos direcciones
• Tres direcciones

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Arquitectura
REPASO

• Modos de direccionamiento

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Memoria

• Registros (memoria de corto plazo)
• Pequeña (relativamente)
• Almacenamiento temporario p/CPU
• Memoria de datos
• Relativamente Grande
• Almacena datos mientras el MCU funciona
• Memoria de programa
• Relativamente Grande
• De preferencia, mantiene el programa incluso con
  el MCU apagado.

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Memoria Tipo físicos
REPASO
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Memoria Atención

• S/DRAM sin limite de escrituras
• EEPROM 100.000 ciclos de borrado
• Flash 10.000 ciclos de borrado

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Memoria Direccionamiento

• Separado
• Cada tipo físico se direcciona por separado (por
  ejemplo, usando diferentes registros índices)
• Hay direcciones repetidas
• Contínuo
• Se accede siempre igual y la logica interna
  accede a la memoria que corresponde
• No hay direcciones repetidas

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Memoria Direccionamiento

• Separado

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Memoria Direccionamiento

• Continuo

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Memoria ejercicio

• For (i100igt0i--)
• Inadvertidamente i es almacenada en EEPROM
• Inadvertidamente i esta implementada como
  unsigned
• Como la EEPROM es lenta, cada iteración lleva,
  digamos, 10 ms
• Que pasa al conectar el MCU?
• el programa se cuelga
• Me doy cuenta, digamos, a los 10 segundos
• Empiezo a debuggear el programa (pero no apago
  el MCU)

• En cuanto tiempo me quedo sin microcontrolador?

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I/O
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Digital I/O

• Implementadas por pines de conexión directa al
  exterior
• Los MCU tienen en general de 8 a 32 pines (o
  más).
• Se agrupan en ports de a 8 pines.
• En general, los pines se pueden configurar como
  entrada o salida
• La lógica puede ser positiva o negativa.
• Los pines pueden tener otras funciones
  alternativas.

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Digital I/O
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Digital I/O

• Los pines se controlan mediante 3 registros
• Data Direction Register (DDR) hay uno por cada
  puerto y cada bit determina la dirección de un
  pin.
• Port Register (PORT) uno por cada puerto y cada
  bit controla el estado del puerto (si es de
  salida)
• Port Input Register (PIN) uno por cada puerto y
  cada bit da el estado de su respectivo pin, esté
  este configurado como entrada o salida.

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Digital I/O
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Digital I/O
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Digital I/O
Ejemplo
PTBDD 0x80 // initialize PTB7 as output PTBD
0 // initialize PTB to 0 PTBD_PTBD7
PTBD_PTBD7 // invert the output
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Digital I/O

• PORT Register de preferencia debe escribirse con
  operaciones de escritura de bit, si estan
  disponibles
• Caso contrario usar Read-Modify-Write con
  cuidado.

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Digital Input

• La entrada se muestrea con cada pulso (flanco
  ascendente normalmente) del clock, lo que
  ocasiona metaestabilidad

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Digital Input

• Normalmente incorporan un Schmitt-trigger.
• Para reducir la metaestabilidad se introducen
  sincronizadores

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Digital Input

• Cancelación de ruidos
• Resistencias de pull-up/down en las entradas
  puede (debe) programarse su conexión/desconexión
  (a veces mediante el registro PORT).

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Digital Output

• Apenas el DDR setea un pin como salida, el MCU
  excita el pin de acuerdo al contenido del
  registro PORT correspondiente.
• Cuidado con los cortocircuitos
• Orden de seteo de DDR y PORT

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Analog I/O

• Conversión DIGITAL a ANALOGICA
• Usando un modulador de ancho de pulso

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Conversión DIGITAL a ANALOGICA
REPASO

• Por redes del tipo R-2R. Para r bits sería

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Conversión Analógica-Digital (CAD)

• Comparador determina si V1 gtV2 y arroja 1, ó 0
  en caso contrario.

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Conversión Analógica-Digital (CAD)
REPASO

• Conversion de valor

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Conversión Analógica-Digital (CAD)
REPASO

• La velocidad de muestreo determina la máxima
  frecuencia posible de muestrear (fmaxltfs/2).
  Además, hay que tener en cuenta el tiempo que
  puede llevar la conversión.
• La conversion lleva tiempo para asegurar la
  estabilidad se usa una etapa de retención
  (sample-hold)

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Conversión Analógica-Digital (CAD)
REPASO

• Directa (flash) muy rápida (1 bit time) muy cara

Este modo de conversión rápido es utilizado en
algunos MCU y por lo general, no hay mas de 1 o 2
canales rápidos.
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Conversión Analógica-Digital (CAD)
REPASO

• Seguidor (tracking) muy lenta (2r bit times) y
  variable barata.

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Conversión Analógica-Digital (CAD)
REPASO

• Aproximaciones sucesivas velocidad media y fija
  en r1

Este es el modo mas utilizado
46
Conversión Analógica-Digital (CAD)

• Control del CAD

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Conversión Analógica-Digital (CAD)

• Los MCU pueden tener de 4 a 16 o más entradas
  (canales) y un solo CAD, de 8 a 12 bits de
  precisión.
• Se multiplexan los canales (aumentan los tiempos)
• Autoincremento al leer un canal, se pasa al
  siguiente y se efectúa un SC automáticamente.
• Existe el modo contínuo y de disparos sucesivos
  mediante el RTC
• Una conversión puede dispararse por eventos
  como un timer, una variación de una entrada
  digital o una señal externa.

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CAD Ejemplo de características en un MCU

• Linear successive approximation algorithm with 12
  bits resolution.
• Up to 28 analog inputs.
• Output formatted in 12-, 10- or 8-bit
  right-justified format.
• Single or continuous conversion (automatic return
  to idle after single conversion).
• Configurable sample time and conversion
  speed/power.
• Conversion complete flag and interrupt.
• Input clock selectable from up to four sources.
• Operation in wait or stop3 modes for lower noise
  operation.
• Asynchronous clock source for lower noise
  operation.
• Selectable asynchronous hardware conversion
  trigger.
• Automatic compare with interrupt for less-than,
  or greater-than or equal-to, programmable value.

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CAD Ejemplo de implementación en un MCU
50
CAD Ejemplo de un registro de configuración
51

// Configures ADC peripheral (ADC clock
6.25MHz) // Bus clock as clock source, 12-bit
conversión and divisor4 ADCCFG 0x44
52
Conversión Analógica-Digital
53
Conversión Analógica-Digital
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Introducción a los Microcontroladores

• Introducción
• Arquitectura
• Memoria
• I/O
• Interrupciones
• Timers
• Interfaces y Otros Periféricos

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Interrupciones

• Un programa sin uso de interrupiones (polling)

inconvenientes?
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Interrupciones

• Con interrupciones

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Interrupciones
REPASO

• Las interrupciones se generan cuando cuando
  cambia un estado.
• Permiten la reacción ante eventos
• Restricciones de tiempo real
• Polling vs. Interrupts
• Interrupt Service Routine (ISR)

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Interrupciones

• Control de Interrupciones
• Interrupt Enable (IE) bit que se setea para
  habilitar al controlador que llame a la ISR
  cuando se produce el evento.
• Interrupt Flag (IF) lo setea el MCU cuando se
  produce el evento. Se limpia automatica o
  manualmente.
• Interrupt mode (IM) mas de un bit para indicar
  si la interrupcion se produce por flanco
  ascendente, descendente, , etc.
• Global Interrupt Enable.

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Interrupciones

• Control de Interrupciones
• Inhabilitar las interrupciones no implica perder
  eventos.
• Cuidado al limpiar la IF
• Normal Interrupts and NMI

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Interrupciones
REPASO

• Interrupt Vector Table es una tabla donde se
  indica para cada interrupcion en donde se
  encuentra la ISR que la atiende.
• Puede contener la dirección de la primera
  instrucción de la ISR respectiva o una instrucion
  jump (JSR) a la ISR (depende el MCU)

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Interrupciones IVT

• En el Atmega128 (Atmel)

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MC9S08QG8 (Freescale)
63
Interrupciones

• Prioridades fijas o variables
• Dentro de una ISR se puede establecer cuales
  interrupciones se permiten (sin hacerlo a mano
  vía los IE)
• Cancelación de ruidos
• Eventos internos

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Interrupciones

• Pasos que ocurren ante una interrupción
• MCU setea la IF (esté o no habilitada la
  interrupción
• Se termina la instrucción en curso o si el MCU
  está en estado sleep, se despierta.
• Se identifica la ISR considerando los IE y la
  interrupcion de mas alta prioridad (si hay mas de
  un IF seteado).
• Se llama a la ISR (... y ya pasó un tiempito)

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Interrupciones

• Ejemplo

El controlador de interrupciones 1 (KBI1) tiene 8
entradas conectadas a determinados puertos
66
Interrupciones

• Registros de control (ubicación en la memoria)
• Son 3

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Interrupciones
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(No Transcript)
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Interrupciones

• Mapeo a variables

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Interrupciones

• Ejemplo inicialización

void InitKBI() /KBI1 Init/ KBI1SC_KBIE
0 // Mask KBI1
interrupts KBI1ES_KBEDG3 0
// KBI1P3 internal pull-up, falling edge/low
level KBI1ES_KBEDG2 0
// KBI1P2 internal pull-up, falling edge/low
level KBI1PE_KBIPE3 1
// Enable KBI1P3 interrupts KBI1PE_KBIPE2
1 // Enable KBI1P2
interrupts KBI1SC_KBIMOD 0
// Detect edges only KBI1SC_KBACK 1
// Clear possible false
interrupts KBI1SC_KBIE 1
// Enable KBI1 interrupts //end InitKBI
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Interrupciones

• Atención de la interrupción

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Interrupciones
Alternativa Se le puede definir al linker
(archivo .prm) que guarde la direccion de la
funcion directamente VECTOR ADDRESS 0xFFDA
KBIx-ISR Y entonces la sintaxis
queda interrupt void KBIx_ISR(void) ...
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Interrupciones

• En el main

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Interrupciones
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Interrupciones

• Polling vs. Interrupts
• Siempre hay que analizar la situación puntual,
  pero en general, usar interrupciones cuando
• Los eventos son infrecuentes
• Hay mucho tiempo entre eventos
• El cambio de estado es importante
• Quiero detectar impulsos cortos
• Hay eventos generados por hardware (no hay
  rebotes o picos)
• Hay muy poco para hacer así que conviene estar en
  modo sleep

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Interrupciones

• Conviene polear cuando
• El operador es humano
• No se requiere una temporización precisa
• El estado es mas importante que el cambio
• Los impulsos duran mucho
• Hay ruido en la señal
• Hay cosas para hacer en el main (pero no
  demasiado)

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Introducción a los Microcontroladores

• Introducción
• Arquitectura
• Memoria
• I/O
• Interrupciones
• Timers
• Interfaces y Otros Periféricos

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Timers

• Son contadores que suben o bajan con cada pulso
  de reloj.
• El valor actual se lee de un registro o se setea
  en el mismo.
• Cuidado al acceder a timers con longitud de
  registro mayor a la palabra del MCU

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Timers

• Los timers generalmente generan una interrupción
  cuando hacen overflow
• Esto sirve para generar señales o eventos
  peródicos (con acotada precisión)
• Pueden tener una señal de clock independiente del
  MCU. Con ella se incrementa la cuenta.

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Timers

• Prescaler
• Es otro contador (de 8 o 10 bits) que trabaja
  contra el clock y produce una salida que es la
  que entra al timer.
• Se logra una extension de tiempos a medir por la
  division del prescaler. Ejemplo
• 8 bit timer, clock de 1 Mhz -gt cuenta máxima 255
  uS con una resolución de 1 uS
• 8 bit timer, clock de 1 Mhz, prescaler en 1024 -gt
  cuenta máxima 260 ms con una resolución de 1 ms.

81
Timers

• Otras fuentes de cuenta
• Pulsos externos
• Cristal externo generlamente de 32.768 KHz que
  implementa otro RTC independiente en el MCU
• Timestamp (input capture)
• Puede setearse un evento para que automáticamente
  se copie el valor del contador en un registro de
  captura. Ejemplo cuando un comparador cambia,
  tomar la cuenta.
• Disparo de salida (output compare)
• Se setea el timer una cuenta y cuando se
  alcanza, automáticamente se levanta una salida, o
  similar.

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Timers

• Ejemplo de registros (un solo timer)

Este timer es muy versátil y trabaja tambien como
PWM
83
(No Transcript)
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Timers
85
Timers
86
Timers

• Ejemplo de uso simple

ClockBUSclkgt8 Mhz
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Introducción a los Microcontroladores

• Introducción
• Arquitectura
• Memoria
• I/O
• Interrupciones
• Timers
• Interfaces y Otros Periféricos

88
Modulación de Ancho de Pulso (PWM)

• Es un timer que genera una señal periódica de
  salida con período y ciclo de trabajo
  configurables

89
Modulación de Ancho de Pulso (PWM)

• Además de su uso como CDA, los PWM se usan para
  controlar ABS en autos, niveles de iluminación en
  LCDs, control de motores, etc.

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Timers y PWM
91
Otras características

• RTC (Real Time Counters)
• Watchdog
• Consumo reduccion de tensión, frecuencia y modo
  sleep
• Reset, POR y BOR
• External, Internal (software) Reset
• Keyboard interrupts

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Interfaces y Otros Periféricos

• SCI (UART)
• Provee una (o mas) interface de comunicación
  asincrónica serie (UART) por medio de dos hiloas
  (Tx y Rx)
• Parámetros comunes full o half duplex, data
  bits, parity bits, stop bits, baud rate

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Interfaces y Otros Periféricos

• SCI (UART)
• Generalmente los modulos generan interrupciones
  (fin de transmisión, recepción, etc.)
• De las SCI del MCU se pueden generar con
  componentes externos interfases físicas RS232,
  RS422, RS485, etc.
• USART (sincrónica)
• Agrega un hilo para sincronismo, el cual es
  generado por una de las partes
• Si se usa como UART, el pin se puede usar como
  I/O

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Interfaces y Otros Periféricos

• SPI (Serial Peripherical Interface)
• Para comunicación serie mediante 4 hilos basada
  en master-slave
• MOSI Master Out Slave In
• MISO Master In Slave out
• SCK System Clock, generado por el master
• SS Slave select. Si hay mas de una linea, con un
  decodificador externo se pueden atender 2n slaves.

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Interfaces y Otros Periféricos
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Interfaces y Otros Periféricos

• IIC (I2C)
• Inter-IC bus, de Phillips, es un bus sincrónico
  que opera en modo master-slave con dos hilos SCL
  y SDA en modo half duplex, para distancias
  cortas, hasta 3.4 Mbps, mediante el intercambio
  de tramas.
• No hay límites al numero de dispositivos a
  conectar (capacidad total en el bus lt 400pF)
• Cada nodo (uno debe ser master, por lo menos)
  tiene una dirección de 7 o 10 bits

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Interfaces y Otros Periféricos

• IIC (I2C)

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Interfaces y Otros Periféricos

• Ethernet
• Implementación de 10/100/1000 Ethernet MAC con
  PHY
• Para conexiones a redes de area local estándar
• CAN (Controller Area Network) de Bosh y Flexcan
• Originalmente diseñado para su uso en automoviles
  y ahora extendido a otras areas, permite la
  comunicación por bus en 1 Mbps hasta 40 m.
  mediante broadcast.

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Interfaces y Otros Periféricos

• Módulos de criptografía
• Stack TCP/IP (para módulos ethernet)
• IEEE 1149.1 Test Access Port (JTAG)
• DMA Timers
• QSPI (Queued SPI)
• EzPort, para programar la memoria flash interna
  desde flash externas en forma directa
• LCD controllers
• ...

100
Interfaces y Otros Periféricos
101
Arquitectura
102
(No Transcript)
103
MC9S08LC60
104
MCF52235